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Technikes Gebit
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkammer, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung betrifft
außerdem
eine Brennkammer, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 4.
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Aus
der
US 5,937,632 sind
ein Verfahren und eine Brennkammer der eingangs genannten Art bekannt.
Die bekannte Brennkammer umfasst einen Brennraum, dem ein Vormischbrenner
vorgeschaltet ist. Die Brennkammer dient zur Erzeugung von Heißgasen zur
Beaufschlagung einer Gasturbine, die einen Verdichter und einen
Generator antreibt. Vom Verdichter wird die Brennkammer mit komprimierter Luft
versorgt. Des weiteren wird der Vormischbrenner mit einem Brennstoff
versorgt, wodurch der Vormischbrenner im Brennraum eine homogene
Verbrennungsreaktion erzeugen kann. Zur Erzielung möglichst
günstiger
Emissionswerte ist es wichtig, die Verbrennungsreaktion im Brennraum
bei möglichst
niedrigen Temperaturen ablaufen zu lassen. Erreicht wird dies unter
anderem durch sehr magere Brennstoff-Oxidator-Mischungsverhältnisse.
Gleichzeitig steigt durch den extremen Magerbetrieb die Löschgrenze
für die
Verbrennungsreaktion auf höhere
Temperaturen. Die reduzierte Reaktionstemperatur und die erhöhte Löschgrenze
bewirken jedoch, dass die Verbrennungsreaktion relativ instabil
ist. Zur Stabilisierung der im Brennraum stattfindenden Verbrennungsreaktion
wird beim bekannten Betriebsverfahren ein Wasserstoff enthaltendes
Synthesegas in zumindest eine Stabilisierungszone der Brennkammer
eingedüst.
Der Wasserstoff des Synthesegases ist im hohen Maße reaktiv
und führt
auch bei niedrigeren Temperaturen zu einer stabilen Verbrennungsreaktion.
Gleichzeitig kann die Verbrennung des Synthesegases lokal die Flammentemperatur
erhöhen. Die
Eindüsung
des Synthesegases wirkt sich somit bei einer geeigneten Auswahl
der Stabilisierungszonen effektiv zur Stabilisierung der Verbrennungsreaktion
aus, ohne dass dabei die Schadstoffemission zunimmt. Bei der bekannten
Brennkammer ist zur Erzeugung des Synthesegases ein Synthesegas-Reaktor
vorgesehen, der mittels partieller Oxidation aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff
das Synthesegas generiert. Bei der bekannten Brennkammer wird dazu
von dem dem Brenner zugeführten
Brennstoff ein Teil abgezweigt und einem Teilstrom komprimierter
Luft zugeführt,
die hierzu dem der Brennkammer zugeführten Hauptstrom des Verdichters
abgezweigt wird. Das Brennstoff-Oxidator-Gemisch wird dann dem Reaktor
zugeführt,
der als Katalysator ausgestaltet ist bzw. eine katalytisch aktive
Oberfläche
enthält.
Die partielle Oxidation des Brennstoffs erfolgt somit mittels eines
geeigneten Katalysators.
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Die
Ausrüstung
der Brennkammer mit einem derartigen Katalysator ist relativ aufwändig. Des
weiteren ist der Betrieb eines derartigen Katalysators ebenfalls
relativ aufwändig,
da empfindliche Betriebsparameter eingehalten werden müssen, um
eine Beschädigung
des Katalysators zu vermeiden, die beispielsweise durch eine überhöhte Temperatur
entstehen kann.
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Aus
der
US 6,560,958 B1 ist
es bekannt, mit Hilfe eines Wasserstoff enthaltenden Synthesegases einen
Absorptionskatalysator zu regenerieren. Das Synthesegas wird hierbei
mit Hilfe eines Plasmareaktors hergestellt, der hierzu einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff
mit einem geeigneten Oxidator, vorzugsweise Luft, mittels eines
Plasmas partiell oxidiert. Ein Absorptionskatalysator dient zur
Absorption von Schadstoffen aus einem Abgas einer Verbrennungsmaschine,
wie z. B. einem Motor oder einer Turbine. Im Absorptionsbetrieb
ist der Absorptionskatalysator von den Abgasen der Verbrennungsmaschine
durchströmt,
während
er im Regenerationsbetrieb vom Synthesegas des Plasmareaktors durchströmt ist.
Bei einer speziellen Ausführungsform
ist der Absorptionskatalysator einer Verbrennungsmaschine nachgeordnet,
die mit dem Synthesegas als Brennstoff arbeitet. Bei dieser Ausführungsform
dient der Plasmareaktor während
des Absorptionsbetriebs zur Versorgung der Verbrennungsmaschine
mit Brennstoff.
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Darstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich
mit dem Problem, für
eine Brennkammer der eingangs genannten Art einen verbesserten Weg
zur Stabilisierung der im Brennraum ablaufenden Verbrennungsreaktion
aufzuzeigen, der insbesondere preiswert realisierbar ist.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Problem durch die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Synthesegas mit
Hilfe eines Plasmas zur erzeugen. Mit Hilfe eines Plasmas lässt sich
eine homogene partielle Oxidation des Brennstoffs erzielen, die
robust arbeitet und sich vergleichsweise preiswert realisieren lässt. Außerdem unterstützt bzw.
vereinfacht die Nutzung des Plasmas die partielle Oxidation des
Brennstoffs. Insoweit ergeben sich für die Stabilisierung der Verbrennungsreaktion
und somit für
den Betrieb der Brennkammer erhebliche Vorteile gegenüber einer
herkömmlichen
Brennkammer bzw. gegenüber
einem herkömmlichen
Betriebsverfahren, die bzw. das mit einem Katalysator zur partiellen
Oxidation des Brennstoffs arbeitet, um das Synthesegas für die Stabilisierung
der Verbrennungsreaktion zu erhalten.
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Zweckmäßig wird
für die
Erzeugung des Synthesegases ein Teil des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs
verwendet. Auf diese Weise muss eine ohnehin vorhandene Brennstoffversorgung
nur geringfügig
modifiziert werden, um aus dem ohnehin verwendeten Brennstoff das
gewünschte Synthesegas
herstellen zu können.
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Grundsätzlich kann
ein gasförmiger
Brennstoff, wie z. B. Erdgas, verwendet werden, um die Brennkammer
zu betreiben bzw. um das Synthesegas herzustellen. Besonders vorteilhaft
ist eine Ausführungsform,
bei welcher ein flüssiger
Brennstoff zum Betreiben der Brennkammer verwendet wird. Hier ist
es gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung möglich,
die bei der Erzeugung des Synthesegases entstehende Wärme zum
Verdampfen des der Brennkammer zugeführten flüssigen Brennstoffs zu verwenden.
Auf diese Weise kann die Brennkammer mit verdampftem Brennstoff
versorgt werden, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber einer
Versorgung der Brennkammer mit einem zerstäubten Brennstoff mit sich bringt.
Wesentlich ist dabei, dass sich durch die Ausnutzung der bei der
Synthesegasherstellung erzeugten Wärme eine Mischzeit reduziert,
die für
eine vollständige
Durchmischung des Brennstoffs mit dem Oxidator, also in der Regel
Luft erforderlich ist. Denn üblicherweise
werden höhere Emissionswerte
bei herkömmlichen
Zerstäubern
für Flüssig-Brennstoffe
dadurch verursacht, dass der nachfolgende Mischprozess zu lange
andauert. Eine lange Mischzeit kann zu Verbrennungsreaktionen führen noch
bevor eine hinreichende Vermischung erzielt ist. Ein inhomogenes
Brennstoff-Oxidator-Gemisch
führt in
Zonen mit erhöhtem
Brennstoffgehalt zu überhöhten Temperaturen,
die eine erhöhte Schadstoffemission
zur Folge haben. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es somit, höhere Durchmischungsgrade
zwischen Brennstoff und Oxidator bei einer verkürzten Mischzeit zu erzielen,
was letztlich zu einer reduzierten Emission von Schadstoffen, insbesondere
von NOx führt.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Die 1 und 2 zeigen
jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung
einer Gasturbinenanlage, die mit einer erfindungsgemäßen Brennkammer
ausgestattet ist, bei verschiedenen Ausführungsformen.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Entsprechend 1 umfasst
eine Gasturbinenanlage 1, insbesondere einer im Übrigen nicht gezeigten
Kraftwerksanlage, eine Gasturbine 2, die über eine
Welle 3 einen Verdichter 4 und optional einen
Generator 5 zur Stromerzeugung antreibt. Vom Verdichter 4 komprimierter
Oxidator 6, insbesondere Luft, wird einer erfindungsgemäßen Brennkammer 7 der
Gasturbinenanlage 1 zugeführt. Die Brennkammer 7 umfasst
wenigstens einen Brennraum 8 sowie wenigstens einen Brenner 9,
welcher in der Regel an einem Eingang des Brennraums 8 angeordnet
ist. Üblicherweise
ist der Brennraum 8 ringförmig bezüglich der Rotationsachse der
Turbine 2 angeordnet. Üblicherweise
sind außerdem
mehrere Brenner 9 in Umfangsrichtung verteilt entlang des
Eingangs des Brennraums 8 angeordnet.
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Die
Brennkammer 7 wird über
eine Brennstoffversorgungseinrichtung 10 mit Brennstoff 11 versorgt,
der dem Brenner 9 bzw. den Brennern 9 zugeführt wird.
Im Brennraum 8 findet im Betrieb der Brennkammer 7 eine
möglichst
homogene Verbrennungsreaktion statt, welche heiße Verbrennungsabgase 12 erzeugt,
welche von der Brennkammer 7 der Turbine 2 zugeführt werden.
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Zur
Stabilisierung der Verbrennungsreaktion im Brennraum 8 weist
die Brennkammer 7 eine Stabilisierungseinrichtung 17 auf,
die es ermöglicht,
der Brennkammer 7 ein Synthesegas 13 zuzuführen. Dieses
Synthesegas 13 enthält
Wasserstoff und wird in wenigstens eine nicht näher bezeichnete Stabilisierungszone
der Brennkammer 7 eingebracht bzw. eingedüst.
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Eine
solche für
die Stabilisierung der Verbrennungsreaktion im Brennraum 8 geeignete
Stabilisierungszone der Brennkammer 7 kann sich sowohl im Brennraum 8 als
auch im Brenner 9 befinden. Beispielsweise kann im Brennraum 8,
z. B. durch eine Querschnittserweiterung am Übergang zwischen Brenner 9 und
Brennraum 8, eine zentrale Rezirkulationszone ausgebildet
werden, die zu einer Verankerung einer Flammenfront im Brennraum 8 führt. Die Eindüsung des
Synthesegases 13 in diese Rezirkulationszone führt zu einer
Stabilisierung der Verbrennungsreaktion. Insoweit handelt es sich
bei dieser Rezirkulationszone somit um eine Stabilisierungszone.
Des weiteren können
sich im Brennraum 8 in der Nähe des Brenners 9 sogenannte „Totwassergebiete" ausbilden, die ebenfalls
als Stabilisierungszonen zur Eindüsung des Synthesegases geeignet
sein können.
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Die
Eindüsung
des Synthesegases 13 in den Brenner 9 bzw. in
den Brennraum 8 kann beispielsweise über eine Lanze erfolgen, die
zentrisch im Brenner 9 angeordnet ist und sich von einem
vom Brennraum 8 entfernten Brennerkopf in Richtung des Brennraums 8 erstreckt.
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Für die Erzeugung
des Synthesegases
13 umfasst die Brennkammer
7 bzw.
deren Stabilisierungseinrichtung
17 einen Synthesegas-Reaktor,
der erfindungsgemäß als Plasmareaktor
14 ausgestaltet ist.
Ein derartiger Plasmareaktor
14 nutzt ein Plasma, um einen
Kohlenwasserstoff-Brennstoff partiell zu oxidieren, wodurch das
erwünschte
Wasserstoff enthaltende Synthesegas
13 entsteht. Der für die partielle
Oxidation des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs
11 erforderliche
Oxidator kann beispielsweise ebenfalls auf der Druckseite des Verdichters
4 abgezweigt
werden. Eine entsprechende Abzweigungsstelle ist hier mit
18 bezeichnet.
Dementsprechend wird dem Plasmareaktor
14 hier ebenfalls
komprimierte Luft als Oxidator zugeführt. Ein derartiger Plasmareaktor
14 ist
beispielsweise in der eingangs zitierten
US 6,560,958 B1 offenbart.
Weitere Plasmareaktoren oder Plasmageneratoren oder Plasmatrone
sind beispielsweise in der
US
5,425,332 , in der
US
5,437,250 und in der
US
5,887,554 offenbart, wobei die Lehren der hier genannten
Druckschriften hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt vorliegender
Erfindung aufgenommen werden.
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Im
Vergleich zu einem Synthesegas-Reaktor, der mit Hilfe eines Katalysators
das Synthesegas 13 generiert, besitzt der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Plasmareaktor 14 einen robusten Aufbau und arbeitet mit
einer erhöhten
Zuverlässigkeit.
Hierdurch reduziert sich die Gefahr von Fehlfunktionen und Beschädigungen.
Des weiteren ist der Installationsaufwand reduziert, wodurch sich
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Brennkammer 7 eine
Stabilisierung der Verbrennungsreaktion mit Hilfe des Synthesegases 13 preiswerter
realisieren lässt.
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Bei
der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform wird für die Herstellung
des Synthesegases 13 derselbe Brennstoff verwendet, der
auch der Brennkammer 7 bzw. deren Brenner 9 zugeführt wird. Zu
diesem Zweck wird ein Teil des der Brennkammer 7 zugeführten Brennstoffs 11 zum
Plasmareaktor 14 hin abgezweigt. Eine entsprechende Abzweigungsstelle
ist in 1 mit 15 bezeichnet.
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Zusätzlich oder
alternativ zur Abzweigung (18) des Oxidators 6 an
der Druckseite des Verdichters 4 kann für die Oxidatorversorgung des
Plasmareaktors 14 ein eigener Kompressor 19 vorgesehen sein,
der über
ein Ventil 20 zuschaltbar sein kann. Möglicherweise arbeitet der Plasmareaktor 14 nicht oder
nur mit reduzierter Leistungsfähigkeit,
wenn der zugeführte
Oxidator 6 den relativ hohen Enddruck des Verdichters 4 aufweist.
Für diesen
Fall kann dann über
den Kompressor 19 der Oxidator 6' bei einem entsprechend reduzierten
Druck zugeführt
werden. Um dann den für
die Eindüsung
des Synthesegases 13 erforderlichen Eindüsdruck im
Synthesegas bereitstellen zu können,
kann dann optional stromab des Plasmareaktors 14 in der
zur Brennkammer 7 führenden
Leitung ein geeigneter weiterer Kompressor 21 angeordnet
sein.
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Eine übliche Brennkammer 7 kann
beispielsweise so ausgelegt sein, dass sie mit einem gasförmigen Brennstoff,
wie z. B. Erdgas betrieben werden kann. Ebenso ist es möglich, die
Brennkammer 7 so auszugestalten, dass sie mit einem flüssigen Brennstoff 11 betrieben
werden kann. Beispielsweise kann zu diesem Zweck die Brennstoffversorgungseinrichtung 10 bei
einer anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsform einen Zerstäuber aufweisen,
der den flüssigen
Brennstoff zerstäubt
und somit einen Brennstoffnebel erzeugt. Dieser Brennstoffnebel lässt sich
dann mit dem gasförmigen
Oxidator vermischen, wobei der Zerstäubungsvorgang und die Durchmischung
mit dem Oxidator auch gleichzeitig ablaufen können. Problematisch ist hierbei,
dass ein möglichst
homogenes Brennstoff-Oxidator-Gemisch benötigt wird, um im Brennraum 8 Zonen
mit einem überhöhten Brennstoffgehalt
zu vermeiden. Ein lokal überhöhter Brennstoffgehalt
führt zu
lokal überhöhten Verbrennungstemperaturen,
was nachteilige Emissionen, insbesondere NOX Emission,
hervorruft. Da eine hochgradige Durchmischung des Brennstoffnebels
mit dem Oxidator eine vergleichsweise große Mischzeit benötigt, kann
es beim Eindüsen
des Brennstoff-Oxidator-Gemischs zu verfrühten Verbrennungsreaktionen
kommen, so dass die Verbrennung bereits bei schlechteren Mischungsgraden
mit den genannten nachteiligen Folgen stattfinden kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Brennkammer 7 ist
nun die Brennstoffversorgungseinrichtung 10 vorzugsweise
mit einem Verdampfer 16 ausgestattet, der den zugeführten flüssigen Brennstoff 11 mittels Wärme verdampft,
so dass der Brennkammer 7 ein gasförmiger Brennstoff 11 zugeführt werden
kann. Bei der Durchmischung eines gasförmigen Brennstoffs mit einem
gasförmigen
Oxidator lassen sich bei vergleichsweise kurzen Mischzeiten vergleichsweise hohe
Durchmischungsgrade erzielen. In der Folge findet die Verbrennung
erst bei hohen Mischungsgraden statt, wodurch sich eine besonders
homogene Temperaturverteilung innerhalb des Brennraums 8 einstellt
und die Gefahr einer überhöhten Schadstoffemission
reduziert ist.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform wird dem Verdampfer 16 ein
geeigneter Oxidatorstrom zugeführt,
der bei 21 vom druckseitigen Oxidatorstrom des Verdichters 4 abgezweigt
wird. Nur bei Vorhandensein eines geeigneten Oxidatorstroms, hier
eines Luftstroms, kann durch die Temperaturerhöhung des Brennstoffs 11 dieser
verdampft werden. Optional kann auch vorgesehen sein, im „Verdampfer" 16 nur
eine Temperaturerhöhung
des Brennstoffs 11 zu erzielen, so dass der „Verdampfer" 16 dann nur als
Erhitzer arbeitet. Bei der dann stromab des Verdampfers bzw. Erhitzers 16 erfolgenden
Durchmischung des erhitzten Brennstoffs 11 mit dem Oxidator 6,
was beispielsweise in der Brennkammer 7 erfolgt, lässt sich
anschließend
eine besonders rasche Verdampfung und gleichzeitige Vermischung
mit dem Oxidatorstrom erzielen.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird die für
die Verdampfung des Brennstoffs 11 erforderliche Wärme dem
Plasmareaktor 14 entnommen. Im Plasmareaktor 14 entsteht
bei der Synthesegasproduktion durch die partielle Oxidation des
Brennstoffs 11 Wärme.
Diese wird bei der Erfindung in vorteilhafter Form genutzt, um die
Verdampfung des der Brennkammer 7 zugeführten Brennstoffs 11 durchzuführen. Dabei
kann die Wärme
vom Plasmareaktor 14 auf geeignete Weise auf den Verdampfer 16 übertragen
werden. Beispielsweise sind Plasmareaktor 14 und Verdampfer 16 wärmeübertragend
miteinander gekoppelt.
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Entsprechend 2 kann
auch vorgesehen sein, den Verdichter 4 aus zwei Teilverdichtern 4I und 4II aufzubauen
und zwischen den Teilverdichtern 4I und 4II einen Oxidatorstrom 6' für den Plasmagenerator 14 und/oder
für den
Verdampfer 16 abzuzweigen. Der dem Plasmagenerator 14 bzw.
dem Verdampfer 16 zugeführte
Oxidatorstrom 6' besitzt
somit einen geringeren Druck als der der Brennkammer 7 zugeführte Oxidatorstrom 6.
Stromab des Plasmagenerators 14 wird das Synthesegas 13 mit
dem erwärmten bzw.
mit dem verdampften Brennstoff vermischt und mit Hilfe eines entsprechenden
Kompressors 21 auf den erforderlichen Druck gebracht, um
das Brennstoff-Oxidator-Synthesegas-Gemisch der Brennkammer 7 zuzuführen.
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- 1
- Gasturbinenanlage
- 2
- Gasturbine
- 3
- Welle
- 4
- Verdichter
- 5
- Generator
- 6
- Oxidator
- 7
- Brennkammer
- 8
- Brennraum
- 9
- Brenner
- 10
- Brennstoffversorgungseinrichtung
- 11
- Brennstoff
- 12
- Verbrennungsabgas
- 13
- Synthesegas
- 14
- Plasmareaktor
- 15
- Abzweigungsstelle
- 16
- Verdampfer
- 17
- Stabilisierungseinrichtung
- 18
- Abzweigungsstelle
- 19
- Kompressor
- 20
- Ventil
- 21
- Kompressor